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Dissertação de Mestrado
DOI
10.11606/D.18.2011.tde-27072011-184508
Documento
Autor
Nome completo
Leopoldo Marques Manzatto
E-mail
Unidade da USP
Área do Conhecimento
Data de Defesa
Imprenta
São Carlos, 2011
Orientador
Banca examinadora
Trindade, Marcelo Areias (Presidente)
Balthazar, Jose Manoel
Nicoletti, Rodrigo
Título em português
Análise dinâmica de colunas de perfuração de poços de petróleo usando controle linear de velocidade não-colocalizado
Palavras-chave em português
Controle de velocidade
Controle de vibrações torcionais
Dinâmica de colunas de perfuração
Fenômeno de stick-slip
Perfuração de poços de petróleo
Resumo em português
Este trabalho apresenta uma análise paramétrica da reposta dinâmica de colunas de perfuração de poços de petróleo com controle proporcional-integral de velocidade não colocalizado. A operação de perfuração de poços de petróleo e gás em águas profundas consiste na abertura de poços em solo rochoso através de uma broca cuja rotação é controlada por uma mesa rotativa na superfície. O torque imposto pela mesa é transmitido à broca por meio de uma coluna de perfuração. Particularmente no caso de perfuração em águas profundas, as colunas de perfuração podem ser muito extensas e, portanto, bastante flexíveis. As vibrações ocasionadas pela grande flexibilidade das colunas de perfuração são as principais responsáveis por falhas no processo de perfuração. Em particular, o fenômeno não-linear conhecido como stick-slip e relacionado às vibrações torcionais da coluna de perfuração, faz com que um sistema de controle projetado para manter a velocidade da mesa constante dê origem a grandes oscilações na velocidade da broca. Na prática, este fenômeno é amplificado pela inerente não-linearidade do contato entre broca e formação rochosa e pela forte não colocalização entre mesa rotativa e broca. Este trabalho tem por principal objetivo realizar uma análise paramétrica da dinâmica do processo de perfuração, usando um modelo de dois graus de liberdade para representar o conjunto mesa rotativa, coluna de perfuração e broca, para identificar condições nas quais uma lei de controle simples do tipo linear proporcional-integral pode fornecer um desempenho de perfuração estável e satisfatório.
Título em inglês
Dynamics of oilwell drillstrings using non-colocated linear velocity control
Palavras-chave em inglês
Drillstring dynamics
Oil well drilling
Stick-slip phenomenon
Torcional vibration control
Velocity control
Resumo em inglês
This paper presents a parametric analysis of the dynamics of oilwell drillstrings with non-collocated proportional-integral velocity control. The drilling operation for oil and gas in deep waters consists of opening wells in rocky ground formation by a drill, whose angular speed is controlled by a rotary table at the surface. The torque applied by the table is transmitted to the drill-bit through the drillstring. Particularly in the deepwater drilling case, the drillstring can be very long and therefore very flexible. The vibrations caused by the great flexibility of drilling columns are mainly responsible for the failures in the drilling process. In particular, the nonlinear phenomenon known as stick-slip and related to the torsional vibration of the drillstring, makes that a control system designed to maintain a constant angular velocity at the table yield large variations at the drill-bit angular velocity. In practice, this phenomenon is amplified by the inherent nonlinearity of the contact between drill bit and rock formation and by the strong non-colocalization between rotary table and drill-bit. The main objective of this work is to perform a parametric analysis of the dynamics of the drilling process, using a two degrees of freedom model in order to represent the rotary table assembly, the drilling column and drill-bit, to identify conditions in which a simple control law, such as a linear proportional-integral velocity control, can provide a stable and satisfactory drilling performance.
 
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Data de Publicação
2011-07-29
 
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  • MANZATTO, L.M., e TRINDADE, M.A. Analysis of stability and performance of an oil well drilling operation subject to stick-slip using non-collocated linear velocity control. In 21st ABCM International Congress of Mechanical Engineering (COBEM), Natal, 2011. Proceedings of the 21st ABCM International Congress of Mechanical Engineering (COBEM)., 2011.
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